«Благодаря сочетанию рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS), теоретического моделирования и компьютерного моделирования мы можем сообщить о первых подробных характеристиках гидратной структуры газообразного диоксида углерода, растворенного в воде», – говорит Ричард Сайкалли, химик из Отделение химических наук лаборатории Беркли и профессор химии Калифорнийского университета в Беркли, который возглавляет это исследование. «Наши результаты помогут улучшить будущее теоретическое моделирование этого важнейшего химического процесса, охарактеризовав начальное состояние реакций переноса протона, которые происходят в воде.
Эта последняя работа следует за отдельным недавним исследованием, в котором была охарактеризована гидратная структура самой угольной кислоты. В конечном итоге такие исследования приведут к полному пониманию того, как атмосферный углекислый газ улавливается и трансформируется поверхностью океана, что играет решающую роль в углеродном цикле. Они также позволят нам понять, как анионы бикарбоната взаимодействуют с катионами кальция и магния в растворе, создавая нанокластеры, которые зародышируют образование известняка, и как анионы бикарбоната буферизируют кровь и другие жидкости организма.’
Сайкалли и его исследовательская группа преодолели проблему короткого срока службы угольной кислоты – около 26 миллисекунд – путем разработки уникальной технологии микроструйного перемешивания жидкости. В этой технологии два водных образца быстро смешиваются и протекают через сопло с мелким наконечником, изготовленное из плавленого кварца и имеющее отверстие диаметром всего несколько микрометров. Полученный пучок жидкости вводится в вакуумную камеру и пересекается рентгеновским пучком, после чего собирается и замораживается.
Сайкалли и его группа установили свою жидкостную микроструйную систему в Advanced Light Source (ALS) лаборатории Беркли, ускорителе / накопителе электронов, который служит основным источником рентгеновских лучей для научных исследований. В более ранних экспериментах они использовали свою систему микроструй и метод XAS для характеристики гидратных структур водного карбоната и бикарбоната.
В этом новом исследовании Сайкалли и его группа смогли захватить спектр XAS газообразного диоксида углерода, растворенного в воде. Все эти эксперименты проводились на ALS Beamline 8.0.1, ондуляторный канал с высоким потоком, который генерирует рентгеновские лучи, оптимизированные для рентгеновских исследований.
Сайкалли и его коллеги определили структуру гидратации углекислого газа в воде, используя свои спектральные данные XAS в сочетании с моделированием молекулярной динамики, проведенным под руководством Дэвида Прендергаста, штатного научного сотрудника Центра теории наноструктур в Молекулярной литейной лаборатории Беркли. Расчеты проводились с использованием суперкомпьютерных ресурсов Национального вычислительного центра энергетических исследований (NERSC).
ALS, Molecular Foundry и NERSC – все это национальные пользовательские объекты, финансируемые U.S. Управление науки Министерства энергетики (DOE).
Результаты этого исследования показывают, что молекула угольной кислоты действует как гидрофоб со средним числом водородных связей 0.56. Атом углерода слабо взаимодействует с кислородом одиночной молекулы воды на расстоянии более 2.67 ангстрем, а атомы кислорода карбонила служат акцепторами слабых водородных связей.
Результатом является улучшенная тетраэдрическая структура связи вода / водород с локальной цилиндрической полостью, вырезанной в водном растворителе.
«Расчетные спектральные сдвиги энергии и интенсивности между водным раствором угольной кислоты, растворенным диоксидом углерода и газообразным диоксидом углерода хорошо соответствуют нашим экспериментально измеренным спектрам», – говорит Сайкалли. В будущих исследованиях мы сосредоточимся на устранении некоторых ограничений нашего текущего экспериментального дизайна и ограничений молекулярно-динамического моделирования посредством реализации теорий ab initio более высокого уровня.
Результаты этого последнего исследования были опубликованы в статье "Выбор редакции" в журнале Chemical Physical Letters. Статья озаглавлена «Гидратная структура растворенного диоксида углерода по данным рентгеновской абсорбционной спектроскопии.Сайкаллы – автор-корреспондент.
Другими соавторами, помимо Прендергаста, являются Ройс Лам, Элис Инглэнд, Джейкоб Смит, Энтони Риццуто и Орион Ши.